溶洞对高速公路路基施工稳定性的影响研究

杨文军

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京　100048)



溶洞对高速公路路基施工稳定性的影响研究

杨文军

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京100048)

摘要:利用邓肯—张模型和平面有限元方法，数值模拟计算分析了云梧高速公路下伏溶洞对路基变形和稳定性的影响，分析结果和现场监测数据表明，路基基本处于稳定状态，不需要进行路基处理。

关键词:公路路基，溶洞，稳定性分析，数值模拟

溶洞是高等级公路建设中的潜在威胁，有些路段溶洞埋深较浅，填土路基在附加荷载和交通荷载的作用下，导致溶洞坍塌可能性较大，容易引起路面开裂，甚至路基下沉和塌陷，严重影响公路路基的安全稳定性以及公路的正常运营。在岩溶地区修建高等级公路一直是公路建设面临的一个难题，目前不少研究者把溶洞看成与采空区类似的一种地下空区进行研究［1］。目前这种研究工作开展的比较多，但计算和评价方法具有很大的局限性和经验性，现在更多的研究都转向于弹塑性理论的数值计算方法。国内外对溶洞上覆构筑物的稳定性问题研究都有一定的启发意义，但是由于工程地质的多样性，仍需对具体工程进行针对性的分析研究。为了掌握含溶洞路段在施工过程以及开放交通后，溶洞对路基安全性的影响，施工阶段进行详细的理论分析、数值计算和现场监测是非常必要的，它不仅有助于发现问题及时采取有效措施，而且可以避免不必要的经济浪费。应用邓肯—张模型理论和相应的计算软件作为计算工具，对云梧高速公路K76+107～K76+ 251典型路段的两处溶洞对路基变形和稳定性影响进行数值计算分析，同时还根据现场沉降监测情况对溶洞进行了评价。

1　土石料本构模型

1．1邓肯—张E-ν模型［2］

邓肯—张模型的切线弹性模量E和体积模量ν分别表示为:

其中:

依据邓肯—张模型，对卸荷采用判别方法为:σ1－σ3＜(σ1－σ3)0，且S＜S0时，单元处于卸荷状态，用Eur，否则用Et。其中(σ1－σ3)0为历史上曾经达到的最大变应力，S0为历史上曾经达到的最大应力水平。

对卸荷情况，弹性模量表示为:

其中，c为土体粘聚力;φ为土体内摩擦角;Pa为大气压力;Rf，K，n，G，F，D，Kur均为模型参数。这些参数可以通过固结排水三轴试验得到。近似取Kur=1．5K。

1．2单元破坏后的应力修正

应力调整时令调整前后的主应力方向保持不变。

1)拉裂破坏。如果σ3＜0，则把σ3修正为0，同时令 σ1不变。可推得修正后的应力分量:

其中，标有“*”的为修正后的量值(下同)。

2)剪坏修正。修正原则为:将破坏单元的小主应力保持不变，即，调整大主应力，使得大小主应力满足摩尔—库仑破坏准则，即:。

然后，假定应力修正前后的主应力方向不变，则修正后的应力分量为:

2　工程概况及数值计算模型

2．1工程地质概况

广东省云梧高速公路K75+900～K78+480路段为泥盆系地层，广泛分布可溶性灰岩，是产生岩溶不良地质问题段主要地层岩性，在潮湿地区、大气降水丰富、地下水能够充分补给，水的来源充沛，岩溶易于发育，在由于地下水动力条件改变，在岩石裂隙极其发育和裂隙交汇处为岩溶易发地区。该段路基不良地质主要为岩溶，特性岩土为软土、红粘土。根据所提供的钻孔地质柱状图，在里程桩号K76+224处揭示土体分层如图1所示。

图1　路基地层分布图（单位：m）

2．2数值计算模型

由于邓肯—张模型已经为国内科研、设计人员普遍接受，其结构简单、参数容易确定而得到广泛应用。因此，本研究将主要以邓肯—张E-ν模型进行计算。平面有限元静力计算采用的是BCF平面有限元比奥固结程序。程序可以设置Goodman接触面单元、薄单元等考虑土与混凝土等结构物之间的相互作用。经多年的验证和改进，该程序应用比较成熟。

2．3计算参数

根据该路段附近的红粘土层等的摩擦角、粘聚力、孔隙比、压缩系数等参数，并参照相关文献中亚粘土、全风化灰岩参数的取值，得到了粘土层等的邓肯—张模型参数［3］，如表1所示。

地质资料中对微风化灰岩，根据对其性状的描述，按照GB 50218—2014工程岩体分级标准［4］，可以初步确定该岩体的质量级别为Ⅳ级。该标准对质量级别不同的岩体给出了其物理力学参数范围，如表2所示。参照文献［5］灰岩的试验结果，对本工程微风化灰岩的弹性模量和泊松比等采用如表3所示参数，对路堤填筑料和未风化基岩参数依据经验并参照文献取值，如表1和表3所示。

表1　土体E-ν模型材料基本参数

表2　岩体物理力学参数

表3　土体材料参数表

2．4计算方案

为掌握这两个典型溶洞对路堤安全性的影响以及在路堤荷载和车辆荷载作用下是否会造成溶洞坍塌。主要针对K76+107断面和K76+251断面的地基中的2个溶洞的稳定性进行计算分析。

根据勘探资料，云梧高速公路K76+107断面路堤与溶洞相对位置如图2所示。该溶洞大约宽14 m，高12 m，距离高速公路路堤轴线15 m，位于轴线左侧，溶洞顶到地面距离18 m。该溶洞埋深较深，溶洞顶板厚(本文所说的溶洞顶板厚只是溶洞上部的微风化灰岩层的厚度，下同)2．8 m，不考虑车辆机动荷载作用一种情况进行计算，结果见表4。

图2　K76+107断面网格划分

根据勘探资料，K76+251断面溶洞大约高10 m，宽9．5 m，长8．7 m，距离高速公路路堤轴线13 m，位于轴线右侧，溶洞顶到地面距离11 m。该溶洞埋深较浅，溶洞顶板厚约1．0 m，分别进行不考虑车辆机动荷载和考虑机动荷载两种情况的计算。计算时，将溶洞形状简化为矩形，分别对K76+107断面和K76+251断面进行网络划分并进行计算。K76+107断面网格图见图2。坐标系选定为:x为水平向右，y为竖直向上。正应力以压应力为“+”，拉应力为“－”;水平位移“－”表示向左(与x正向相反，若为正表示向右)，沉降“－”表示向下(与y正向相反)。

3　数值计算结果与分析

3．1计算成果

表4　有限元法计算结果

按照上述方案进行了平面有限元计算，计算了地基最大沉降和最大水平位移，如表4所示，并计算了汽车动载作用下对路基的影响。

3．2成果分析

1)地基水平位移。图3给出了路堤填筑完成后K76+107断面的水平位移等值线。由于路堤横断面完全对称，因此，填筑完成后路堤的水平位移也基本对称，向左侧的最大水平位移为－11．45 cm，向右侧的最大水平位移为11．74 cm，最大水平位移位于地基内，说明地基土的变形较大。由于溶洞距离地面较深(距地面18 m)，并处于微风化灰岩以下，溶洞顶板厚2．8 m，因此溶洞对路堤及地基的水平位移分布影响不大。K76+251断面溶洞上方顶板厚度为1．0 m，由于溶洞侧壁的阻挡作用，左右两边的水平位移稍微不同，左右侧水平位移分别为－12．31 cm和9．56 cm。

2)地基沉降。图4给出了K76+107断面的沉降等值线图，图4中显示，路堤沉降等值线基本关于轴线对称，最大沉降位于原地面附近，说明地基土的沉降较大，地基最大沉降为45．98 cm。溶洞埋藏较深，且顶部有厚2．8 m微风化灰岩层，溶洞顶板仅下沉约0．1 cm，因此溶洞对路堤及地基的沉降分布影响不大。图5给出了K76+251断面的沉降等值线图，溶洞顶板厚度约1．0 m，未考虑车辆荷载作用时，地基最大沉降为41．72 cm。由于溶洞上部有1．0 m厚的顶板，因此沉降量也不大，仅有0．3 cm。

图3　K76+107断面水平位移等值线

图4　K76+107断面地基沉降等值线图

图5　K76+251断面地基沉降等值线图（未加车辆荷载）

图6　K76+251断面地基沉降等值线图（加车辆荷载）

3)车辆荷载下的路堤应力变形。从以上模拟情况看，对K76+ 251断面，溶洞顶板为1．0 m厚时计算的沉降与现有沉降较为相符。对该种情况又进行了模拟车辆荷载的计算，车辆荷载简化为均布荷载，折算成路堤荷载相当于再增加0．8 m的路堤填筑高度。计算结果见图6。由计算结果可知，车辆荷载作用下K76+ 251断面向右最大水平位移为10．68 cm，向左的最小水平位移为－13．71 cm。最大沉降为45．02 cm，比没有车辆荷载时稍有增加(增加了3．28 cm)。再根据该工况下的大主应力、小主应力以及应力水平的等值线分布，从应力水平看不是很大。从K76+251断面溶洞附近沉降和小主应力数值看，小主应力出现了拉应力，其值不大，沉降也很小，因此溶洞不会坍塌。

3．3现场监测结果

为了准确了解路基施工中稳定情况，在该路段选取两个横断面的路基中心和路基边线处分别埋设沉降观测点，采用精密水准仪从2008年9月到2009年12月，对路基沉降进了监测。

由于施工对测杆造成一定的损坏，只有在K76+110断面路堤路面中心的沉降测杆测量数据基本完整。沉降观测成果如图7所示。

图7　K76+110中监测沉降曲线

沉降观测数据表明，溶洞对路基变形影响不大，中心测点最大沉降值为316 mm，由于开始监测时路基已有一定高度的填土，因此监测值比实际沉降值稍微大一些。由图7可以看出前期沉降速率较大，后期逐步收敛，8个月后开始趋于稳定，10个月后沉降值基本不变，之后沉降预测不大。

4　结语

根据以上的理论计算、数值结果分析以及现场监测结果，可得如下结论:1)K76+107断面溶洞埋藏较深，溶洞顶板(微风化灰岩)模拟厚度2．8 m，溶洞对沉降和水平位移对分布影响不大，溶洞顶板存在拉应力，但拉应力值不大，不会产生坍塌，该溶洞不需加固处理。2)计算结果表明，云梧高速公路K76+107断面和K76+251断面处路基产生较大的塑性变形而溶洞上部顶板产生很小的塑性变形。3)根据现场监测的数据来看，K76+107断面路基基本处于稳定状态，路基塑性变形对路堤影响不大，路基下伏溶洞是不需要处理的。

参考文献:

［1］阳军生，刘宝琛，阳生权．竖井建设引起的地表移动及变形［J］．岩石力学与工程学报，1999，18(3):291-293．

［2］ 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［M］．北京:水利电力出版社，1996．

［3］朱俊高，殷宗泽．土体本构模型参数的优化确定［J］．河海大学学报，1996，24(2):68-73．

［4］ GB 50218—2014，工程岩体分级标准［S］．

［5］ 祁生文，伍法权，兰恒星．盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口高边坡稳定性分析［J］．岩石力学与工程学报，2002，21(3): 353-359．

中图分类号:U416．1

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0150-03

收稿日期:2016-04-04

作者简介:杨文军(1980-)，男，博士，工程师

Influence research of karst cave on the stability of highway subgrade on construction

Yang Wenjun
(China Road Engineering Consultancy Group Co．，Ltd，Beijing 100048，China)

Abstract:Karst cave affecting subgrade deformation and stability effect are analyzed with the theory calculation and numerical simulation analysis of Yunfu-Wuzhou highway by the methods of Dengken-Zhang Model and plane finite element．The subgrade is basically in a stable state judging by the computation results and the data of on-site monitoring，and the karst cave under subgrade isn’t need treat．

Key words:highway subgrade，karst cave，stability analysis，numerical simulation